EP2170497A1 - Reacteur echangeur a tube baïonnette permettant de fonctionner avec des differences de pression de l'ordre de 100 bars entre le cote tube et le cote calandre - Google Patents

Reacteur echangeur a tube baïonnette permettant de fonctionner avec des differences de pression de l'ordre de 100 bars entre le cote tube et le cote calandre

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EP2170497A1
EP2170497A1 EP08827689A EP08827689A EP2170497A1 EP 2170497 A1 EP2170497 A1 EP 2170497A1 EP 08827689 A EP08827689 A EP 08827689A EP 08827689 A EP08827689 A EP 08827689A EP 2170497 A1 EP2170497 A1 EP 2170497A1
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EP
European Patent Office
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tube
bayonet
reactor
tubes
exchanger
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08827689A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Fabrice Giroudiere
Jean Christian Tricard
Bernard Langlos
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Filing date
Publication date
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    • B01J2219/00157—Controlling the temperature by means of a burner

Definitions

  • the present invention relates to an exchanger reactor consisting of a shell enclosing a plurality of tubes, a structure that the skilled person qualifies as tubes / calender, said exchanger reactor allowing the implementation of highly endothermic reactions such as the steam reforming reaction of the gas natural, the reactive fluid circulating inside the tubes, and the coolant circulating outside the tubes (also called calender side by the skilled person).
  • the reactor according to the invention is perfectly feasible at sizes less than 4 meters in diameter.
  • the term "tube side” will be used to refer to the chemical reaction and the circulation of the reaction fluids inside said tubes, and to the "shell side” to designate what relates to heat transfer. from the heat transfer fluid to the reaction fluid and the circulation of said heat transfer fluid.
  • a bayonet tube (4) can be defined as consisting of an inner tube (5) contained in an outer tube (6), the inner tube (5) and the outer tube (6) being substantially coaxial.
  • the heat transfer fluid is generally generated by combustion carried out outside the exchanger reactor by any combustion system such as furnaces or boilers using burners.
  • the heat transfer fluid may also consist of recovery fumes, or a hot fluid available on the site such as steam.
  • the circulation of the heat transfer fluid can be channeled inside chimneys (10) surrounding, at least over a certain length, the bayonet tubes (4) and defining an annular space (10) suitable for the circulation of the heat transfer fluid to the inside said annular space.
  • the tube plate in the exchanger reactor can be defined as a perforated plate extending substantially along a section of the reactor, each perforation receiving a reaction tube.
  • the set of reaction tubes thus has its inlet (or outlet) end located on the inlet tubular plate
  • the inlet tubular plate (i) thus separates the volume of the reactor into a first space (20) located above said tube plate, this first space containing the reaction fluid and allowing its distribution in each of the reaction tubes, and a second space (21) below said tubular plate, the second space surrounding the tubes and containing only the coolant.
  • the outlet tubular plate (s) separates the volume of the reactor into a third space (22) located above said tube plate, this third space containing only the reaction effluents from each reaction tube.
  • the first space (20) is in fact between the inlet tubular plate (i) and the outlet tubular plate (s) and contains only the reaction fluid introduced into said space (20) through the tubing labeled A on the figure 1.
  • the reactor has two tubular plates, one upper receiving the outlet end of the central tubes (5). ), the lower one (i) receiving the inlet end of the annular zone between the central tube (5) and the outer tube (6).
  • the distribution of the reaction fluid is done by the space (20) between the lower tubular plate (i) and the upper tubular plate (s), by means of the inlet pipe (A).
  • FIG. 1 clearly shows that in an exchanger reactor according to the prior art and comprising bayonet tubes, the inlet and outlet of each bayonet tube (4) is at the level of the inlet and outlet tubular plates, therefore inside the reactor.
  • the lower tube plate (i) can therefore have its upper surface adjacent to the fluid introduction zone (20), and its lower face adjacent to the circulation zone of the coolant (21) which undergo a pressure difference of 25. at 50 bars.
  • the table below gives the tube plate thickness in mm (10 "3 meters) for reactor diameters ranging from 2 to 10 meters, and for a pressure difference on either side of the tubular plate of 25, 30 and 35 bar (in the ordinate).
  • a maximum thickness of the tube plate is assumed to be of the order of 400 mm, this results in a limit in the size of the reactor which is established at about 5 meters in diameter for a pressure difference of both sides. other of the 25-bar tubular plate. This size limit is even smaller if the pressure difference on both sides of the tube plate is greater. Thus, if the pressure difference on either side of the tube plate reaches 35 bars, the maximum diameter of the reactor is only about 3 meters. From the point of view of mechanical strength, there is also a limit in the permissible tube density on the tube plate, which depends on the diameter of the tubes and is about 10 tubes / m 2 for a tube diameter of 170 mm.
  • the reactor according to the present invention makes it possible to exceed the size limit of the reactors according to the prior art, that is to say comprising a tubular plate, by eliminating said tubular plate, the distribution of the reactive fluids and the collection of the effluents being entirely effected. outside the reactor.
  • the exchanger reactor according to the present invention makes it possible to solve a second problem related to the catalyst filling of the bayonet tubes.
  • the catalyst filling of the bayonet tubes is done by the space (20) between the two tubular plates. But this space is limited and made very inconvenient by the presence of the many tubes attached to the upper tube plate.
  • the filling of the bayonet tubes is done by their end located outside the reactor which is in a much less restrictive environment.
  • Another advantage of the reactor according to the invention is that it operates with a coolant whose generation is carried out in situ, that is to say by means of a combustion carried out even within the exchanger reactor, shell side.
  • Such "in situ" combustion can be achieved by means of burners such as those described in the French application 06 / 10,999, the said burners, generally of elongated shape, interposed between the bayonet tubes.
  • FIG. 1 represents a prior art bayonet tube exchanger reactor having a lower tubular plate for the distribution of reactive fluids, and an upper tubular plate for the collection of effluents.
  • FIG. 2 represents an exchanger reactor according to the invention, that is to say without a tube plate, with the end of the bayonet tubes located outside the reactor, the heat transfer fluid being derived from a combustion carried out inside of the reactor by means of elongated burners interposed between the bayonet tubes.
  • FIG. 3 represents an example of a device for distributing and collecting reaction fluids in the reactor according to the invention.
  • FIG. 4 represents an example of burners that can be used to ensure the generation of the heat transfer fluid inside the exchanger reactor according to the invention.
  • the exchanger reactor according to the present invention consists of a cylindrical shell closed by an upper cap and a lower bottom, inside which circulates the coolant, said shell enclosing a plurality of parallel tubes of substantially vertical axis, inside which the reaction fluid circulates, the reaction tubes being of bayonet type and having a density of between 2 and 12 tubes per m 2 of section of the reactor, the spacing between each bayonet tube, or center-to-center distance, being between 2 and 5 times the inner diameter of the outer tube (6), the inlet and the outlet of each bayonet tube being located outside the reactor, and the coolant being obtained by a combustion carried out in situ by means of long burners (8) interposed between said bayonet tubes (4) forming a triangular pitch, the distance between the burners being between e 2 and 5 times the diameter of the outer tube (6) of a bayonet tube.
  • the reactor according to the invention does not comprise a tube plate. In the exchanger reactor according to the present invention, the inlet and the outlet of each bayonet
  • each bayonet tube (4) is surrounded by a cylindrical chimney (10) substantially coaxial with the bayonet tube, the coolant circulating inside the annular space (11) between the wall external of the bayonet tube (4) and said chimney (10) with a speed of between 20 m / s and 50 m / s.
  • the bayonet tubes are preferably assembled in a triangular pitch.
  • the spacing between each bayonet tube, or center-to-center distance, is generally between 2 and 5 times the inner diameter of the outer tube (6).
  • each bayonet tube (4) passes through the outer tube (6) at a point outside the reactor, at a distance of at least 1 meter from the upper cap of the exchanger reactor, and at an angle between 30 ° and
  • each bayonet tube (4) is fed from a main supply duct branching into N branches, each branch supplying an inner tube, N being between 5 and 100, and being preferentially between 10 and 50.
  • the outer tube (6) of each bayonet tube (4) is connected to a primary collector, itself connected to a secondary collector and so on until the final collector which corresponds to a number M of collectors between 2 and 10.
  • the reactive fluid is introduced through the inlet end of the annular zone (7) between the outer tube (6) and the inner tube (5), said annular zone (7) being at least partially filled with catalyst.
  • the reaction effluents are recovered by the outlet end of the central tube
  • the coolant consists of combustion fumes, said combustion taking place in situ, that is to say by means of burners located inside the reactor itself and interposed between the bayonet tubes in a separate equipment. of the present exchanger reactor.
  • the flue gases leave the reactor through the outlet pipe (G) located in the upper part of the reactor.
  • the heat transfer fluid providing the heat required for the reaction is obtained by combustion carried out in situ by means of long burners (8) interposed between the bayonet tubes (4).
  • These burners have a central fuel distributor (27) having an orifice distribution (30) possibly non-uniform, and having a porous element (28) of annular shape surrounding the central distributor (27) at least over its entire length Lb, the thickness of said porous element (28) being between 0.5 and 5 cm, and the inner surface of said porous material (28) being located at a distance from the central distributor (27) of between 0.5 cm and 10 cm.
  • the elongated burners form a triangular pitch, the distance between the burners being between 2 and 5 times the outer diameter of the bayonet tubes .
  • the invention also consists of a process for steam reforming a hydrocarbon fraction using the present exchanger reactor.
  • the fuel used to carry out the combustion in situ is a gas containing more than 90% hydrogen.
  • the temperature inside the reaction tubes is generally between 700 ° C. and 950 ° C.
  • the exchanger reactor according to the present invention is intended for the implementation of highly endothermic reactions and at temperature levels of up to 950 ° C. Typically, it may be used for steam reforming hydrocarbon cuts, in particular naphtha or natural gas for the production of hydrogen.
  • the exchanger reactor according to the invention consists of a generally cylindrical calender (1) closed in its upper part by a cap (2) of substantially ellipsoidal shape and in its lower part by a bottom (3) of substantially ellipsoidal shape said calender (1) enclosing a plurality of vertical tubes (4) of length (L) extending along the cylindrical portion of the calender (1).
  • the tubes (4) are bayonet type, that is to say they consist of an inner tube (5) contained in an outer tube (6), the inner tube and the outer tube being substantially coaxial. Coaxiality is obtained for example by means of centering fins welded at regular intervals on the inner tube (5) and which make it possible to maintain a fixed spacing with the outer tube (6).
  • the annular space (7) between the inner tube (5) and the outer tube (6) is generally filled with catalyst, this catalyst having the form of cylindrical particles, which in the case of the steam reforming reaction, have a length typical of a few millimeters and a diameter of a few millimeters.
  • the shape of the catalyst particles is not a characteristic element of the invention which is compatible with any form of catalyst particles whose size allows the introduction into the annular portion (7) of the vertical tubes (4).
  • the reaction fluid is preferably introduced into the bayonet tube (4) by the catalytic annular zone (7), the inlet end of which is outside the reactor, the steam reforming reactions developing in the catalytic annular zone, and the effluents being recovered at the outlet of the central tube (5), said outlet being also located outside the reactor.
  • reaction fluid is introduced through the central tube (5) and the effluents recovered at the outlet of the annular zone (7) is also possible.
  • the reactive fluids thus circulate inside the bayonet tubes (4), first down the annular zone (7) of the tube, then up along the central tube (5), said tubes (4). ) having their inlet / outlet end located outside the exchanger reactor, and said tubes (4) being heated by a coolant flowing from the calender side (8).
  • the H / D ratio between the height H of the reactor and its diameter D is generally between 2 and 8, and preferably between 2.5 and 6.
  • the bayonet tubes (4) are generally equipped with a chimney (10) which surrounds them in a substantially coaxial manner, making it possible to obtain a circulation velocity of the combustion fumes along the tube to be heated between 5 m / s and 50 m / s, and preferably between 20 m / s and 40 m / s.
  • the number of tubes to be heated per m 2 of section of the reactor is generally between 2 and 12, and preferably between 3 and 8.
  • reactor section is meant the geometric section supposed to be empty of any internal.
  • the bayonet tubes (4) most often form a triangular pitch with a center-to-center distance of between 2 and 5 times the inside diameter of the outer tube (6).
  • the example below provides the dimensioning of a reactor exchanger according to the invention intended to produce 90000 Nm3 / hour of H2 by steam reforming of natural gas.
  • the fuel used to provide the calories necessary for the steam reforming reaction has the following composition in mol%: H 2: 92.10%
  • the flue gas temperature circulating on the shell side is on average: 1200 ° C.
  • the pressure inside the bayonet tubes is: 35 bar
  • the flue gas pressure circulating on the shell side is: 5 bar
  • the pressure difference between tube and calender is therefore 30 bars.
  • the main dimensions of the reactor according to the invention are as follows:
  • the tubes are of the bayonet type Length of the tubes: 12m External diameter of the tubes to be heated: 200mm Diameter of the central tube: 50mm Distance center to center of the tubes to be heated: 300mm Number of tubes: 235 tubes distributed in triangular pitch
  • each catalyst particle having the following dimensions:
  • the reaction fluid is fed into each reaction tube through the inlet end of the outer tube (6).
  • the inlet manifold of the reaction fluids has a branch shape such as that shown in FIG.
  • reaction effluent is recovered by the outlet end of the central tube (5).
  • the outlet collector of the reaction effluents has a 4-branch shape such as that represented in FIG. 3.
  • the central tube (5) separates from the outer tube (6) at a distance of 2 meters above the upper dome of the reactor according to an angle of 30 ° to the vertical.
  • the catalyst is filled by the inlet end of the outer tubes (6). Access to the annular zone of the outer tube (6) is facilitated by the disassembly of the sleeves in the upper part.
  • the central tube (5) having its end deviated outside the outer tube (6) of the bayonet, there is no risk of putting catalyst in the central tube (5) when loading the space annular.
  • the bayonet tubes can be vibrated, for example by their lower end accessible via a manhole in the calender and by means of a vibrator attached the time of loading to the tube concerned.

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Abstract

La présente invention décrit un réacteur échangeur destiné à la mise en oeuvre de réactions endothermiques, comportant une calandre à l'intérieur de laquelle circule le fluide caloporteur (11), ladite calandre enfermant une pluralité de tubes (4) à l'intérieur desquels circule le fluide réactif (5,6), les tubes étant, de type baïonnette, et le réacteur ne présentant pas de plaque tubulaire. Ce réacteur peut fonctionner avec une différence de pression entre le côté tube et le côté calandre pouvant aller jusqu'à 100 bars.

Description

REACTEUR ECHANGEUR A TUBE BAÏONNETTE PERMETTANT DE FONCTIONNER AVEC DES DIFFERENCES DE PRESSION DE L'ORDRE DE 100 BARS ENTRE LE COTE TUBE ET LE COTE CALANDRE.
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un réacteur échangeur consistant en une calandre enfermant une pluralité de tubes, structure que l'homme du métier qualifie de tubes/calandre, ledit réacteur échangeur permettant la mise en oeuvre de réactions fortement endothermiques telles que la réaction de vaporeformage du gaz naturel, le fluide réactif circulant à l'intérieur des tubes, et le fluide caloporteur circulant à l'extérieur des tubes (appelé aussi côté calandre par l'homme du métier). Le réacteur échangeur selon l'invention permet d'atteindre des tailles de réacteur ayant un diamètre supérieur à 4 mètres, voire supérieur à 10 mètres, avec une différence de pression entre l'intérieur des tubes et l'extérieur des tubes pouvant atteindre 30 bars à 100 bars (1 bar = 0,1 MegaPascal), sans utilisation d'une plaque tubulaire pour assurer la distribution du fluide réactif sur l'ensemble des tubes. Néanmoins, le réacteur selon l'invention est parfaitement réalisable à des tailles inférieures à 4 mètres de diamètre. Dans la suite du texte, on parlera de "côté tube" pour désigner ce qui concerne la réaction chimique et la circulation des fluides réactionnels à l'intérieur desdits tubes, et de "côté calandre" pour désigner ce qui se rapporte au transfert de chaleur depuis le fluide caloporteur vers le fluide réactionnel et la circulation dudit fluide caloporteur.
EXAMEN DE L'ART ANTERIEUR
L'art antérieur dans le domaine des réacteurs échangeurs destinés à la mise en oeuvre de réactions fortement endothermiques telle que la réaction de vaporeformage d'une coupe hydrocarbonée, correspond au réacteur représenté sur la figure 1. Ce type de réacteur échangeur présente un système de distribution du fluide réactif au moyen d'une première plaque tubulaire et un système de collecte des effluents au moyen d'une seconde plaque tubulaire. Un tube baïonnette (4) peut être défini comme étant constitué d'un tube interne (5) contenu dans un tube externe (6), le tube interne (5) et le tube externe (6) étant sensiblement coaxiaux.
Le fluide caloporteur est généralement généré par une combustion réalisée à l'extérieur du réacteur échangeur par tout système de combustion tel que fours ou chaudières faisant appel à des brûleurs. Le fluide caloporteur peut également être constitué de fumées de récupération, ou d'un fluide chaud disponible sur le site tel que de la vapeur.
La circulation du fluide caloporteur peut être canalisée à l'intérieur de cheminées (10) entourant, au moins sur une certaine longueur, les tubes baïonnette (4) et définissant un espace annulaire (10) adéquat à la circulation du fluide caloporteur à l'intérieur dudit espace annulaire.
La compréhension de l'invention nécessite d'exposer les limitations liées à la plaque tubulaire. Selon l'art antérieur, la plaque tubulaire dans les réacteurs échangeur peut se définir comme une plaque perforée s'étendant sensiblement selon une section du réacteur, chaque perforation recevant un tube réactionnel. L'ensemble des tubes réactionnels a donc son extrémité d'entrée (ou de sortie) située sur la plaque tubulaire d'entrée
(respectivement de sortie). La plaque tubulaire d'entrée (i) sépare donc le volume du réacteur en un premier espace (20) situé au dessus de ladite plaque tubulaire, ce premier espace contenant le fluide réactionnel et permettant sa distribution dans chacun des tubes réactionnels, et un second espace (21 ) situé au dessous de ladite plaque tubulaire, ce second espace entourant les tubes et ne contenant que le fluide caloporteur. De la même manière, la plaque tubulaire de sortie (s) sépare le volume du réacteur en un troisième espace (22) situé au dessus de ladite plaque tubulaire, ce troisième espace ne contenant que les effluents de la réaction issus de chaque tube réactionnel.
Le premier espace (20) est en fait compris entre la plaque tubulaire d'entrée (i) et la plaque tubulaire de sortie (s) et ne contient que le fluide réactionnel introduit dans ledit espace(20) par la tubulure notée A sur la figure 1. Dans le cas d'un réacteur échangeur selon l'art antérieur comportant des tubes baïonnettes, tel que représenté sur la figure 1 , le réacteur possède deux plaques tubulaires l'une supérieure (s) recevant l'extrémité de sortie des tubes centraux (5), l'autre inférieure (i) recevant l'extrémité d'entrée de la zone annulaire comprise entre le tube central (5) et le tube externe (6). La distribution du fluide réactionnel se fait par l'espace (20) compris entre la plaque tubulaire inférieur (i) et la plaque tubulaire supérieure (s), au moyen de la tubulure d'entrée (A).
Le côté calandre correspond dans le cas de la figure 1 à l'espace (21) extérieur aux tubes réactionnels et situé au dessous de la plaque tubulaire inférieure (i). La figure 1 permet de voir clairement que dans un réacteur échangeur selon l'art antérieur et comportant des tubes baïonnettes, l'entrée et la sortie de chaque tube baïonnette (4) se fait au niveau des plaques tubulaires d'entrée et de sortie, donc à l'intérieur du réacteur. Or la différence de pression entre l'intérieur des tubes (5) et l'extérieur des tubes (21 ), ou côté calandre, qui contient le fluide caloporteur, peut être de plusieurs dizaines de bars. Dans le cas particulier de la réaction de vaporeformage, cette différence de pression peut atteindre de 25 bars à 40 bars (1 bar = 0,1 MPa). La plaque tubulaire inférieure (i) peut donc avoir sa face supérieure attenante à la zone d'introduction des fluides (20), et sa face inférieure attenante à la zone de circulation du fluide caloporteur (21 ) qui subissent une différence de pression de 25 à 50 bars.
Il est connu de l'homme du métier que le dimensionnement d'une plaque tubulaire capable de résister à de telles différences de pression conduit à des épaisseurs très importantes, et en pratique non réalisables, dès que le diamètre du réacteur atteint une valeur d'une dizaine de mètres.
A titre d'exemple, le tableau ci dessous donne les épaisseurs de plaque tubulaire en mm (10"3 mètres) pour des diamètres de réacteur allant de 2 à 10 mètres, et pour une différence de pression de part et d'autre de la plaque tubulaire de 25, 30 et 35 bars ( en ordonnées). Diamètre du réacteur
2 m 5 m 10 m
Delta 25 bar 193 mm 483 mm 967 mm de 30 bar 212 mm 530 mm 1059 mm pression 35 bar 229 mm 572 mm 1144 mm
Si l'on admet une épaisseur maximale de la plaque tubulaire de l'ordre de 400 mm, il en résulte une limite dans la taille du réacteur qui s'établit à environ 5 mètres de diamètre pour une différence de pression de part et d'autre de la plaque tubulaire de 25 bars. Cette taille limite est encore inférieure si la différence de pression de part et d'autre de la plaque tubulaire est plus importante. Ainsi, si la différence de pression de part et d'autre de la plaque tubulaire atteint 35 bars, le diamètre maximum du réacteur n'est plus que de 3 mètres environ. Du point de vue résistance mécanique, il existe également une limite dans la densité de tubes admissible sur la plaque tubulaire, limite qui dépend du diamètre des tubes et se situe à environ 10 tubes/ m2 pour un diamètre de tube de 170 mm. Le réacteur selon la présente invention permet de dépasser la limite en taille des réacteurs selon l'art antérieur, c'est à dire comportant une plaque tubulaire, en supprimant ladite plaque tubulaire, la distribution des fluides réactifs et la collecte des effluents se faisant entièrement à l'extérieur du réacteur. Le réacteur échangeur selon la présente invention permet de résoudre un second problème lié au remplissage en catalyseur des tubes baïonnette. En effet, dans un réacteur selon l'art antérieur, le remplissage en catalyseur des tubes baïonnettes se fait par l'espace (20) compris entre les deux plaques tubulaires. Or cet espace est limité et rendu très malcommode par la présence des nombreux tubes fixés à la plaque tubulaire supérieure,.
Dans le réacteur selon la présente invention, le remplissage des tubes baïonnette se fait par leur extrémité située à l'extérieur du réacteur qui se trouve dans un environnement beaucoup moins contraignant.
Un autre intérêt du réacteur selon l'invention est qu'il fonctionne avec un fluide caloporteur dont la génération est réalisée in situ, c'est à dire au moyen d'une combustion effectuée au sein même du réacteur échangeur, côté calandre. Une telle combustion "in situ" peut être réalisée au moyen de brûleurs tels que ceux décrits dans la demande française 06/10.999, les dits brûleurs, généralement de forme longiligne, s'intercalant entre les tubes baïonnette.
DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES La figure 1 représente un réacteur échangeur à tubes baïonnettes selon l'art antérieur présentant une plaque tubulaire inférieure pour la distribution des fluides réactifs, et une plaque tubulaire supérieure pour la collecte des effluents.
La figure 2 représente un réacteur échangeur selon l'invention, c'est à dire sans plaque tubulaire, avec l'extrémité des tubes baïonnettes située à l'extérieur du réacteur, le fluide caloporteur étant issu d'une combustion réalisée à l'intérieur du réacteur au moyen de brûleurs longilignes s'intercalant entre les tubes baïonnettes.
La figure 3 représente un exemple de dispositif de distribution et de collecte des fluides réactionnels dans le réacteur selon l'invention.
La figure 4 représente un exemple de brûleurs pouvant être utilisés pour assurer la génération du fluide caloporteur à l'intérieur même du réacteur échangeur selon l'invention.
DESCRIPTION SOMMAIRE DE L'INVENTION
Le réacteur échangeur selon la présente invention consiste en une calandre de forme cylindrique fermée par une calotte supérieure et un fond inférieur, à l'intérieur de laquelle circule le fluide caloporteur, ladite calandre enfermant une multiplicité de tubes parallèles, d'axe sensiblement vertical, à l'intérieur desquels circule le fluide réactionnel, les tubes réactionnels étant de type baïonnette et ayant une densité comprise entre 2 et 12 tubes par m2 de section du réacteur, l'espacement entre chaque tube baïonnette, ou distance centre à centre, étant comprise entre 2 et 5 fois le diamètre intérieur du tube externe (6), l'entrée et la sortie de chaque tube baïonnette étant situées à l'extérieur du réacteur, et le fluide caloporteur étant obtenu par une combustion réalisée in situ au moyen de brûleurs longilignes (8) s'intercalant entre lesdits tubes baïonnettes (4) en formant un pas triangulaire, l'entraxe entre les brûleurs étant compris entre 2 et 5 fois le diamètre du tube externe (6) d'un tube baïonnette. Le réacteur selon l'invention ne comporte pas de plaque tubulaire. Dans le réacteur échangeur selon la présente invention, l'entrée et la sortie de chaque tube baïonnette sont situées à l'extérieur du réacteur tel que cela est montré sur la figure 2.
Selon une variante préférée du réacteur échangeur, chaque tube baïonnette (4) est entouré d'une cheminée cylindrique (10) sensiblement coaxiale au tube baïonnette, le fluide caloporteur circulant à l'intérieur de l'espace annulaire (11 ) compris entre la paroi externe du tube baïonnette (4) et la dite cheminée (10) avec une vitesse comprise entre 20 m/s et 50 m/s.
Les tubes baïonnettes sont préférentiellement assemblés selon un pas triangulaire. L'espacement entre chaque tube baïonnette, ou distance centre à centre, est généralement compris entre 2 et 5 fois le diamètre intérieur du tube externe (6).
Un espacement selon un pas carré reste néanmoins parfaitement dans le cadre de la présente invention.
Le tube interne (5) de chaque tube baïonnette (4) traverse le tube externe (6) en un point situé à l'extérieur du réacteur, à une distance d'au moins 1 mètre par rapport à la calotte supérieure du réacteur échangeur, et sous un angle compris entre 30° et
60° par rapport à la verticale. Cette disposition permet de séparer nettement l'entrée et la sortie de chaque tube baïonnette (4), de manière à faciliter la mise en place du dispositif de distribution des fluides réactionnels, et du dispositif de collecte des effluents réactionnels tels que représentés sur la figure 3.
De manière préférée, le tube interne (5) de chaque tube baïonnette (4) est alimenté depuis un conduit d'alimentation principal se ramifiant en N branches, chaque branche alimentant un tube interne, N étant compris entre 5 et 100, et étant préférentiellement compris entre 10 et 50. De manière préférée, le tube externe (6) de chaque tube baïonnette (4) est connecté à un collecteur primaire, lui même connecté à un collecteur secondaire et ainsi de suite jusqu'au collecteur final qui correspond à un nombre M de collecteurs compris entre 2 et 10.
De manière préférée, le fluide réactif est introduit par l'extrémité d'entrée de la zone annulaire (7) comprise entre Ie tube externe (6) et le tube interne (5), ladite zone annulaire (7) étant au moins en partie remplie de catalyseur. Les effluents réactionnels sont récupérés par l'extrémité de sortie du tube central
(5).
De manière générale, le fluide caloporteur est constitué de fumées de combustion, ladite combustion ayant lieu in situ, c'est à dire au moyen de brûleurs situés à l'intérieur même du réacteur et s'intercalant entre les tubes baïonnettes dans un équipement distinct du présent réacteur échangeur. Les fumées de combustion quittent le réacteur par la tubulure de sortie (G) située en partie supérieure du réacteur.
Selon l'invention, le fluide caloporteur apportant la chaleur nécessaire à la réaction est obtenu par une combustion réalisée in situ au moyen de brûleurs longilignes (8) s'intercalant entre les tubes baïonnettes (4).
Ces brûleurs longilignes sont décrits dans la demande de brevet français n°
06/10.999
Ils sont dans la suite du texte compris au moyen de la figure 4 comme des brûleurs sans pré mélange de géométrie cylindrique, de longueur Lb et de diamètre Db, avec un rapport Lb/Db compris entre 10 et 500, et préférentiellement compris entre 30 et
300.
Ces brûleurs possèdent un distributeur central de combustible (27) ayant une répartition d'orifices (30) éventuellement non uniforme, et possédant un élément poreux (28) de forme annulaire entourant le distributeur central (27) au moins sur toute sa longueur Lb, l'épaisseur dudit élément poreux (28) étant comprise entre 0,5 et 5 cm, et la surface interne dudit poreux (28) étant située à une distance du distributeur central (27) comprise entre 0,5 cm et 10 cm. Il s'agit précisément de la distance correspondant à la zone notée (29) sur la figure 4. Préférentiellement, les brûleurs longilignes forment un pas triangulaire, l'entraxe entre les brûleurs étant compris entre 2 et 5 fois le diamètre externe des tubes baïonnettes.
L'invention consiste également en un procédé de vaporeformage d'une coupe hydrocarbure utilisant le présent réacteur échangeur. Selon une variante du procédé selon l'invention, le combustible utilisé pour réaliser la combustion in situ est un gaz contenant plus de 90% d'hydrogène. De manière générale, le procédé de vaporeformage d'une coupe hydrocarbure utilisant le réacteur échangeur selon l'invention est opéré à une pression côté calandre comprise entre 1 et 10 bars absolus, ( 1 bar = 105 pascal), et à une pression à l'intérieur des tubes baïonnettes comprise entre 25 et 50 bars absolus. La température à l'intérieur des tubes réactionnels est généralement comprise entre 7000C et 9500C.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Le réacteur échangeur selon la présente invention est destiné à la mise en oeuvre de réactions fortement endothermiques et à des niveaux de températures pouvant aller jusqu'à 9500C. Typiquement, il pourra être utilisé pour le vaporeformage de coupes hydrocarbures, notamment le naphta ou le gaz naturel en vue de la production d'hydrogène.
La description qui suit se rapporte à la figure 2.
Le réacteur échangeur selon l'invention est constitué d'une calandre de forme globalement cylindrique (1 ) fermée dans sa partie supérieure par une calotte (2) de forme sensiblement ellipsoïdale et dans sa partie inférieure par un fond (3) de forme sensiblement ellipsoïdale, la dite calandre (1 ) enfermant une pluralité de tubes verticaux (4) de longueur (L) s'étendant le long de la partie cylindrique de la calandre (1 ).
Les tubes (4) sont de type baïonnette, c'est à dire qu'ils sont constitués d'un tube interne (5) contenu dans un tube externe (6), le tube interne et le tube externe étant sensiblement coaxiaux. La coaxialité est obtenue par exemple à l'aide d'ailettes de centrage soudées à distance régulière sur le tube intérieur (5) et qui permettent de maintenir un écartement fixe avec le tube externe (6).
L'espace annulaire (7) compris entre le tube interne (5) et le tube externe (6) est généralement rempli de catalyseur, ce catalyseur ayant la forme de particules cylindriques, qui dans le cas de la réaction de vaporeformage, ont une longueur typique de quelques millimètres et un diamètre de quelques millimètres. La forme des particules de catalyseur n'est pas un élément caractéristique de l'invention qui est compatible avec toute forme des particules de catalyseur dont la taille permet l'introduction dans la partie annulaire (7) des tubes verticaux (4).
Le fluide réactionnel est préférentiellement introduit dans le tube baïonnette (4) par la zone annulaire catalytique (7) dont l'extrémité d'entrée se trouve à l'extérieur du réacteur, les réactions de vaporeformage se développant dans la zone annulaire catalytique, et les effluents étant récupérés en sortie du tube central (5), ladite sortie étant également située à l'extérieur du réacteur.
Une autre configuration dans laquelle le fluide réactionnel est introduit par le tube central (5) et les effluents récupérés en sortie de la zone annulaire (7) est également possible.
Les fluides réactifs circulent donc à l'intérieur des tubes baïonnette (4), d'abord en descendant le long de la zone annulaire (7) du tube, puis en remontant le long du tube central (5), les dits tubes (4) ayant leur extrémité d'entrée/sortie situées à l'extérieur du réacteur échangeur, et lesdits tubes (4) étant chauffés par un fluide caloporteur circulant du côte calandre (8).
La nature du fluide caloporteur n'a pas d'importance dans le cadre de la présente invention. Il s'agit de fumées issues d'une combustion réalisée à l'intérieur même du réacteur échangeur au moyen de brûleurs spécifiques tels que ceux décrits dans la demande de brevet français n° 06/10.999.
Le rapport H/D entre la hauteur H du réacteur et son diamètre D est généralement compris entre 2 et 8, et préférentiellement compris entre 2,5 et 6.
Les tubes baïonnettes (4) sont généralement équipés d'une cheminée (10) qui les entoure de manière sensiblement coaxial, permettant d'obtenir une vitesse de circulation des fumées de combustion le long du tube à chauffer comprise entre 5 m/s et 50 m/s, et préférentiellement comprise entre 20 m/s et 40 m/s. Le nombre de tubes à chauffer par m2 de section du réacteur est généralement compris entre 2 et 12, et préférentiellement compris entre 3 et 8. On entend par section du réacteur la section géométrique supposée vide de tout interne.
Les tubes baïonnettes (4) forment le plus souvent un pas triangulaire avec une distance centre à centre comprise entre 2 et 5 fois le diamètre intérieur du tube externe (6).
Lorsque la combustion in situ générant le fluide caloporteur est réalisée au moyen de brûleurs longiligne, ceux ci s'intercalent entre les tubes baïonnette et forment donc un pas triangulaire avec une distance centre à centre entre brûleur comprise entre 2 et 5 fois le diamètre externe desdits tubes baïonnettes.
EXEMPLE SELON L'INVENTION
L'exemple ci dessous fournit le dimensionnement d'un réacteur échangeur selon l'invention destiné à produire 90000 Nm3/heure d'H2 par vaporeformage de gaz naturel.
Le combustible utilisé pour apporter les calories nécessaires à la réaction de vaporeformage a la composition suivante en % molaire: H2: 92,10%
CH4: 5,35% CO2: 0,78% CO: 1 ,5% N2: 0,25%. La température à l'intérieur des tubes baïonnettes est de: 9000C.
La température des fumées circulant côté calandre est en moyenne de: 12000C.
La pression à l'intérieur des tubes baïonnettes est de: 35 bars
La pression des fumées circulant côté calandre est de: 5 bars
La différence de pression entre tube et calandre est dans donc de 30 bars. Les dimensions principales du réacteur selon l'invention sont les suivantes:
Hauteur totale du réacteur (avec les fonds supérieur et inférieur): 16m Diamètre du réacteur: 7m Rapport H/D: 2,3
Les tubes sont de type baïonnette Longueur des tubes: 12m Diamètre extérieur des tubes à chauffer: 200mm Diamètre du tube central : 50mm Distance centre à centre des tubes à chauffer: 300mm Nombre de tubes : 235 tubes répartis en pas triangulaire
Diamètre extérieur des brûleurs poreux: 100mm Longueur des brûleurs poreux: 5m Nombre de brûleurs poreux: 470
Distance centre à centre entre brûleur poreux: 600mm
La partie annulaire des tubes baïonnettes est remplie au moyen d'un catalyseur de vaporeformage à base de nickel sous forme de pastilles cylindriques, chaque particule de catalyseur ayant les dimensions suivantes:
- diamètre des pastilles: 10mm,
- longueur des pastilles: 13 mm.
Le fluide réactionnel est amené dans chaque tube réactionnel par l'extrémité d'entrée du tube extérieur (6). Le distributeur d'entrée des fluides réactionnels a une forme à 20 branches telle que celle représenté sur la figure 3.
L'effluent réactionnel est récupéré par l'extrémité de sortie du tube central (5).
Le collecteur de sortie des effluents réactionnels a une forme à 4 branches telle que celle représentée sur la figure 3. Le tube central (5) se sépare du tube externe (6) à une distance de 2 mètres au dessus du dôme supérieur du réacteur selon un angle de 30° par rapport à la verticale.
Le remplissage du catalyseur se fait par l'extrémité d'entrée des tubes externes (6). L'accès à la zone annulaire du tube externe (6) est facilité par le démontage des manchons en partie supérieure. Le tube central (5) ayant son extrémité déviée à l'extérieur du tube externe (6) de la baïonnette, il n'y a pas de risque de mettre du catalyseur dans le tube central (5) lors du chargement de l'espace annulaire. Pour favoriser le chargement, les tubes baïonnette peuvent être mis en vibration, par exemple par leur extrémité inférieur accessible via un trou d'homme dans la calandre et à l'aide d'un vibreur attaché le temps du chargement au tube concerné.

Claims

REVENDICATIONS
1- Réacteur échangeur consistant en une calandre de forme cylindrique fermée par une calotte supérieure et un fond inférieur, à l'intérieur de laquelle circule le fluide caloporteur, ladite calandre enfermant une multiplicité de tubes parallèles d'axe sensiblement vertical à l'intérieur desquels circule le fluide réactionnel, les tubes étant de type baïonnette et ayant une densité comprise entre 2 et 12 tubes par m2 de section du réacteur, l'espacement entre chaque tube baïonnette, ou distance centre à centre, étant comprise entre 2 et 5 fois le diamètre intérieur du tube externe (6), l'entrée et la sortie de chaque tube baïonnette étant situées à l'extérieur du réacteur, et le fluide caloporteur étant obtenu par une combustion réalisée in situ au moyen de brûleurs longilignes (8) s'intercalant entre lesdits tubes baïonnettes (4) en formant un pas triangulaire, l'entraxe entre les brûleurs étant compris entre 2 et 5 fois le diamètre du tube externe (6) d'un tube baïonnette.
2- Réacteur échangeur selon la revendication 1 , dans lequel chaque tube baïonnette est entouré d'une cheminée cylindrique (10) sensiblement coaxiale au tube externe (6).
3- Réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel le tube interne (5) de chaque tube baïonnette traverse le tube externe (6) en un point situé à l'extérieur du réacteur, à une distance d'au moins 1 mètre par rapport à la calotte supérieure du réacteur échangeur et sous un angle compris entre 30° et 60° par rapport à la verticale.
4- Réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le tube interne (5) de chaque tube baïonnette est alimenté depuis un tube d'alimentation principal se ramifiant en N branches, chaque branche alimentant un tube interne (5), N étant compris entre 5 et 100, et étant préférentiellement compris entre 10 et 50.
5- Réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le tube externe (6) de chaque tube baïonnette est connecté à un collecteur primaire, lui même connecté à un collecteur secondaire, et ainsi de suite jusqu'au collecteur final correspondant à un nombre M de collecteurs compris entre 2 et 10.
6- Procédé de vaporeformage d'une coupe hydrocarbure utilisant le réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la pression côté calandre est comprise entre 1 et 10 bars absolus, et la pression à l'intérieur des tubes baïonnettes est comprise entre 25 et 50 bars absolus.
7- Procédé de vaporeformage d'une coupe hydrocarbure utilisant le réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le combustible utilisé pour réaliser la combustion in situ est une partie de l'effluent de vaporeformage.
8- Procédé de vaporeformage d'une coupe hydrocarbure utilisant le réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le fluide caloporteur circule à l'intérieur de l'espace annulaire (11 ) compris entre la paroi externe (6) du tube baïonnette et la cheminée (10) entourant ledit tube avec une vitesse comprise entre 20 m/s et 50 m/s.
9- Procédé de vaporeformage d'une coupe hydrocarbure utilisant le réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le fluide réactif est introduit par l'extrémité d'entrée de la zone annulaire (7), et les effluents sont récupérés par l'extrémité de sortie du tube central (5).
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